DE1093483B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit zwei pn-UEbergaengen, insbesondere Silizium-Transistoren, durch Verschmelzen von zwei Halbleiterkristallen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit zwei pn-UEbergaengen, insbesondere Silizium-Transistoren, durch Verschmelzen von zwei HalbleiterkristallenInfo
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Description
DEUTSCHES
Prinzipiell unterscheidet man zwischen Legierungstransistoren und gewachsenen Transistoren. Bei Verwendung
von Silizium als Halbleitermaterial werden heute Verfahren bevorzugt, die zu gewachsenen Transistoren
führen. Ein solches Verfahren ist z. B. das bekannte »rate-grown-Verfahren«, bei dem man die verschiedenartige
Dotierung des Halbleiterkristalls durch verschiedene Ziehgeschwindigkeiten des Halbleiterkristalls
aus der Schmelze erreicht. In Amerika ist neuerdings ein Verfahren entwickelt worden, welches
als »grown-diffused-Verfahren« bezeichnet wird. Dabei geht man von einer zunächst nur mit n-Typmaterial
versetzten Siliziumschmelze aus und zieht in üblicher Weise mittels Impfkristalls ein als Kollektor verwendbares
Kristallstück. Zur Erzielung einer n-p-n-Schichtenfolge wird der Ziehvorgang nach Fertigstellung
des Kollektors unterbrochen und der Schmelze erneut Dopmaterial zugesetzt, das aber jetzt p- und
n-Störstellen .aufweist. Die Zusammensetzung des Poptierungsmaterials wird dabei so gewählt, daß die
Siliziumschmelze auch weiterhin n-Leitfähigkeitscharakter beibehält. Die erforderliche p-Schicht, die
.als ,Basiszone verwendet wird, wird aber nicht durch
Ziehen, sondern durch Eindiffusion der der Siliziumschmelze zugesetzten p-Störstellen in den bereits gezogenen
Halbleiter-Kollektorkristall gewonnen. Dieser maßgebliche p-Störstellendiffusionsprozeß beruht darauf,
daß die Diffusionsgeschwindigkeit von p-Störstellen die der n-Störstellen weit übertrifft. Nach Herstellung
der an das Kollektivstück angrenzenden Diffusionsbasisschicht wird der Ziehvorgang fortgesetzt,
der dann zur Ausbildung der Emitterzone führt.
Mit diesem Herstellungsverfahren erzielt man aber nur relativ geringe Ausbeuten, da die Siliziumschmelze
im Tiegel nicht erstarren darf. Sie würde sonst den Schmelztiegel zerstören. Man ist also gezwungen, den
Ziehprozeß so lange fortzusetzen, bis die Siliziumschmelze aufgebraucht ist. Die Herstellung mehrerer
n-p-n-Schichtenfolgen bei diesem Ziehverfahren ist deshalb nicht möglich, weil die dazu erforderliche
mehrmalige Störstellenversetzung dem Halbleitermaterial zu viel Fremdatome zuführen würde. Ein
Großteil des gezogenen Kristalls ist also für den eigentlichen Zweck unbrauchbar.
Es ist bereits bekannt, zwei Halbleiterkristalle miteinander durch einen Sinterungsprozeß zu verbinden,
bei dem die Verbindungsstelle nicht auf Schmelztemperatur gebracht wird. Sollen bei diesem bekannten
Verfahren zwei aneinandergrenzende, miteinander verbundene Zonen verschiedenen Leitungstyps entstehen,
so müssen die miteinander zusammenzusinternden Halbleiterkristalle verschiedenen Leitungstyp
aufweisen. Der Sinterungsprozeß hat darüber hinaus Verfahren zur Herstellung von Hälbleiteranordnungen
mit zwei pn-Übergängen,
insbesondere Silizium -Transistoren,
durch. Verschmelzen von zwei
Halbleiterkjistallen
Anmelder:
Telefunken G.m.b.H.,
Berlin-^Charlottenburg 1, Emst-Reuter-Platz
Berlin-^Charlottenburg 1, Emst-Reuter-Platz
Friedrich Wilhelm Dehmelt, Neu-Ulm/Donau,
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
noch den Nachteil, daß das Halbleitermaterial im Bereich der Verbindungsstelle nach dem Sinterungsprozeß nicht einkristallin ausgebildet ist. Sowohl bei
diesem Sinterungsprozeß als auch bei dem anderen bekannten Schmelzverfahren entsteht nur ein pn-Übergang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tiegelfreies Verfahren aufzuzeigen, bei dem durch
Verschmelzung zweier Halbleiterkristalle eine Halbleiteranordnung mit zwei pn-Übergängen entsteht. Somit
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit zwei pn-Übergängen,
insbesondere Silizium-Transistoren, durch Verschmelzen von zwei Halbleiterkristallen. Erfindungsgemäß
werden zwei Halbleiterkristalle gleichen Leitfähigkeitstyps, von denen der erste nur mit
Donatoren oder Akzeptoren und der zweite derart mit Donatoren und Akzeptoren dotiert wird, daß einerseits
der gewünschte Leitfähigkeitstyp erzielt wird und andererseits die Diffusionsgeschwindigkeit der
den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Störstellen wesentlich kleiner als die Diffusionsgeschwindigkeit der
den Leitfähigkeitstyp nicht bestimmenden Störstellen ist, miteinander flächenhaft in Berührung gebracht, die
Berührungsfläche wird so lange auf Schmelztemperatur erhitzt, daß sich in dem nur mit einem Aktivatortyp
versehenen ersten Halbleiterkristall an der Berührungsfläche eine Diffusionsschicht entgegen-•
gesetzten Leitfähigkeitstyps und gewünschter Dicke ausbildet und gleichzeitig die beiden Halbleiterkristalle
miteinander verschmelzen, und dann wird die
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Abkühlung derart gesteuert, daß die Rekristallisation der Berührungsfläche einkristallin verläuft.
Das Verfahren gemäß der Erfindung soll an einem Beispiel näher erläutert werden. Zunächst wird ein,
Halbleiterkristall aus einer η-leitenden Siliziumschmelze
gezogen, die derart dotiert ist, daß sich für den gezogenen Kristall die für den Kollektor gewünschte
Leitfähigkeit ergibt. Soll der n-Kollektorkristall z. B. 35 Qcm, haben, so kann man dies erreichen,
wenn der Siliziumschmelze unter Berücksichtigung des Entmischungskoeffizienten ungefähr 6-1015
Sb-Atome pro cms Siliziumschmelze zugesetzt werden.
Die Dotierung der ebenfalls η-leitenden Siliziumschmelze, aus der der Emitterkristall hervorgehen soll,
muß so vorgenommen werden, daß außer den den n-Leitfähigkeitstyp bestimmenden n-Störstellen noch
p-Störstellen vorhanden sind, die später aus der
Emitterschmelze in den Kollektorkristall zur Bildung einer p-leitenden Basiszwischenschicht diffundieren
sollen. Die Emitter-Siliziumschmelze ist zu diesem Zweck derart mit nj und p-Störstellen zu versetzen,
daß sich eine geeignete Emitterleitfähigkeit ergibt und gleichzeitig die Diffusionsgeschwindigkeit der p-Störstellen
wesentlich größer ist als die Diffusionsgeschwindigkeit der n-Störstellen. Es ist dabei zu beachten,
daß die Diffusionsgeschwindigkeit nicht nur von der Diffusionskonstante der Störstellen, sondern
auch von deren Konzentration abhängt. Im Beispiel wurden für die n-Emitterzone 0,2 Qcm angestrebt, und
die Diffusionsgeschwindigkeit der p-Störstellen sollte ungefähr 20mal größer als die Diffusionsgeschwindigkeit
der n-Störstellen sein. Bei Verwendung von Aluminium zur Erzeugung der p-Störstellen sind dazu
1,5-1017 Al-Atome nötig, wenn gleichzeitig der
Siliziumschmelze 6 · 1017 Sb-Atome zugesetzt werden. Der aus dieser Schmelze gezogene Siliziumkristall hat
dann die gewünschte η-Leitfähigkeit von 0,2 Qcm. Da
aber die gezogenen Kristalle relativ groß sind, wird man zweckmäßig sowohl den Emitterkristall als auch
den Kollektorkristall in kleine Kristallstäbchen aufteilen.
Ein so gewonnenes Kollektorkristallstäbchen 1 wird dann nach der Figur in eine Quarzhalterung 2 eingespannt.
Dieser gegenüber befindet sich ein beweglicher Quarzstab 3, auf den ein Emitterscheibchen 4
gelegt und mittels des Quarzstabes 3 mit dem Kollektorkri stall stäbchen 1 in Berührung gebracht wird. Eine
geeignete Heizvorrichtung 5 sorgt dafür, daß das an das Kollektorstäbchen 1 nunmehr angrenzende Emitterscheibchen
4 etwa 8 Minuten auf seine Schmelztemperatur von 1420° C gebracht wird, wodurch eine Verschmelzung
der beiden Kristallstücke und eine Eindiffusion der in dem Emitterscheibchen 4 vorhandenen
p-Störstellen in das Kollektorstäbchen 1 erfolgt. Es werden zwar auch n-Störstellen diffundieren, aber
dominierend ist wegen der wesentlich größeren p-Störstellendiffusionsgeschwindigkeit
die p-Störstellendiffusion, durch die es zur Bildung einer als Basiszone
dienenden p-Zwischenschicht 6 kommt.
Dieses Herstellungsverfahren ist sehr einfach und eignet sich außerdem sehr gut zur Automatisierung.
Der große Verschleiß und die Unwirtschaftlichkeit, die bisher in Kauf genommen werden mußte, entfallen
bei diesem Verfahren.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit zwei pn-Übergängen, insbesondere
Silizium-Transistoren, durch Verschmelzen von zwei Halbleiterkristallen, dadurch gekennzeidinet,
daß zwei Halbleiterkristalle gleichen Leitfähigkeitstyps, von denen der erste nur mit
Donatoren oder Akzeptoren und der zweite derart mit Donatoren und Akzeptoren dotiert wird, daß
einerseits der gewünschte Leitfähigkeitstyp erzielt wird und andererseits die Diffusionsgeschwindigkeit
der den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Störstellen wesentlich kleiner als die Diffusionsgeschwindigkeit der den Leitfähigkeitstyp nicht bestimmenden
Störstellen ist, miteinander flächenhaft
so in Berührung gebracht werden, daß die Berührungsfläche
so lange auf Schmelztemperatur erhitzt wird, daß sich in dem nur mit einem Aktivatortyp
versehenen ersten Halbleiterkristall an der Berührungsfläche eine Diffusionsschicht entgegengesetz-
s5 ten Leitfähigkeitstyps und gewünschter Dicke ausbildet
und gleichzeitig die beiden Halbleiterkristalle miteinander verschmelzen, und daß dann
die Abkühlung derart gesteuert wird, daß die Rekristallisation der Berührungsfläche einkristallin
verläuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Halbleiterkristalle als
Emitter- und Kollektorzone verwendet werden, daß die Halbleiterkristalle als Stäbchen ausgebildet
werden und vor dem Verschmelzen auf den Enddurchmesser des fertigen Transistors gebracht
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Emitter- und Kollektorhalbleiterstäbchen
um ein Vielfaches größer als die Stärke des fertigen Transistors gewählt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial
Silizium gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial n-leitendes
Silizium gewählt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial
Silizium mit Arsen oder Antimon dotiert wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Halbleitermaterial
η-Silizium des zweiten Halbleiterkristalls Aluminium für die überdotierten p-Störstellen verwendet
wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 021 495, S 32505 (bekanntgemacht am 12. 1. 1956), S 32506 (bekanntgemacht am 12. 1. 1956), S 32507 (bekanntgemacht am 1.3.1956);
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 021 495, S 32505 (bekanntgemacht am 12. 1. 1956), S 32506 (bekanntgemacht am 12. 1. 1956), S 32507 (bekanntgemacht am 1.3.1956);
schweizerische Patentschrift Nr. 319 753.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Applications Claiming Priority (1)
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| DET15225A DE1093483B (de) | 1958-06-04 | 1958-06-04 | Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit zwei pn-UEbergaengen, insbesondere Silizium-Transistoren, durch Verschmelzen von zwei Halbleiterkristallen |
Publications (1)
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Country Status (3)
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Patent Citations (2)
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| GB857258A (en) | 1960-12-29 |
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